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Verbesserung der Spurstruktursimulationen von Alphateilchen in Stickstoff und Propan

08.07.2014

Spurstruktursimulationen werden in der Nanodosimetrie für die Bestimmung charakteristischer Parameter einer Teilchenspur verwendet. So wird beispielsweise die Ionisationsclustergröße für eine Abschätzung der biologischen Wirkung ionisierender Strahlung auf DNA-Segmente herangezogen. Die Simulationen ermöglichen eine Extrapolation von Daten, die mit dem Nanodosimeter der PTB in der Gasphase des Mediums aufgenommen werden, hin zu denen der kondensierten Materie. Auf der anderen Seite können die Simulationen für die Gasphase mit Hilfe der Messungen validiert werden.

Die wichtigsten Eingangsparameter einer Spurstruktursimulation sind Wirkungsquerschnitte, welche die Wechselwirkung der Projektile mit Molekülen des Mediums beschreiben. Aus diesem Grund basiert die Präzision der Simulationsergebnisse maßgeblich auf der Genauigkeit der Wirkungsquerschnitte. Der bisher für den Transport von Alphateilchen in Stickstoff und Propan verwendete Spurstrukturcode der PTB [1,2] PTra berücksichtigte Wechselwirkungen für Umladungsprozesse langsamer Projektile (unterhalb einer Energie von 1 MeV) durch Anwendung einer empirisch gewonnenen Korrektur auf Wirkungsquerschnitte für Ionisation. Diese Form der Korrektur bietet zunächst eine gute Näherung, erfüllt jedoch nicht die Anforderungen einer Spurstruktursimulation, deren Ziel eine möglichst genaue Nachbildung einzelner Wechselwirkungsprozesse ist.

In diesem Jahr wurden Wirkungsquerschnitte für den Ladungsaustausch von Alphateilchen in den Code PTra integriert. Dies erforderte eine umfassende Durchsicht experimenteller Literaturdaten der Wirkungsquerschnitte für Ionisation, Elektroneneinfang und -verlust von Helium-Teilchen aller möglichen Ladungszustände mit Stickstoff und Propanmolekülen. Die Datenlage für Stickstoff ist einigermaßen konsistent, jedoch sind für Propan keine Daten vorhanden. Durch Skalierung der Wirkungsquerschnitte von Methan unter Berücksichtigung der Ionisierungsquerschnitte von Propan für Elektronen wurde ein entsprechender Datensatz für Propan erstellt [2].

Simulationen der Ionisationsclustergrößenverteilung von Alphateilchen in Stickstoff und Propan unter Verwendung der Wirkungsquerschnitte für Umladungsprozesse sind selbst im Energiebereich unterhalb von 1 MeV in zufriedenstellender Übereinstimmung mit experimentellen Daten (Abb.).

Abbildung: Experimentelle und berechnete mittlere Ionisationsclustergrößen für Alphateilchen in Propan und Stickstoff.

Literatur:

  1. B. Grosswendt, Radiat. Environ. Biophys. 41 (2002) 103.
  2. M. U. Bug et al., Phys. Rev. E 88 (2013) 043308.